探析学生计算思维能力的培养

王沪林

计算思维是学生适应21世纪人工智能时代的必备思维方式。计算思维的培养是学校核心素养落实的关键环节。培养学生计算思维的有效途径之一就是通过程序设计组织，而依托Scratch图形化编程教学，能体现学生在信息技术课堂中解决问题的关键能力。本文在Scratch教学设计过程中融入计算思维的五要素，旨在帮助学生提升计算思维能力。

陶行知说：“活的人才教育，不是灌输知识，而是将开发文化宝库的钥匙，尽我们知道的交给学生。”近年来，随着信息化的发展，信息技术教学中知识与技能的传授已逐步减弱，计算思维与创新能力的培养越来越受到人们的关注。作为一名从教近20年的小学信息技术教师，笔者认为，将计算思维的元素渗透到小学信息技术课堂中，特别是Scratch图形化编程教学中，是小学生计算思维能力培养的重要媒介。

一、什么是计算思维

计算思维是运用计算机学科的知识、规则来求解问题、设计系统，以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。例如，今天家里要来客人吃饭，你该怎么办？首先你要考虑做什么菜，对应着需要购买什么材料，接着你会通过手机等查阅做菜的步骤。然后你会计算做菜的时间，对菜品制作有个先后顺序的排列。在明确关键细节后，你会开始实施做菜的各个环节。炒菜过程中出现问题，如太咸了，你会马上洒一些水进行补救。这时你知道炒一盘菜大概需要多少盐比较合适，最后这个数据形成一个固定数值。以后再做菜时，就不容易犯同样的错误了。其实这就是日常生活中用计算思维去解决问题，在这些描述中就包含了计算思维的五要素，即分解、抽象、算法、调试、泛化。

二、计算思维与Scratch的关系

小学生计算思维的培养有多种途径，而程序设计教学是非常有效的途径之一。苏教版五年级《信息技术》引入了Scratch图形化编程软件，它是美国麻省理工学院开发的一款非常受学生喜爱的模块化编程软件。图形化编程软件不需要输入复杂难懂的代码，而是直接通过模块化的命令积木块拼接，实现程序的快速编写。它的素材表现力直观，有自带的资源库素材，也可以导入网络下载的资源。学生可以根据场景选择喜欢的角色创造交互式故事、动画、游戏等。

Scratch图形化编程不是简单地培养学生编程技巧，而是更注重培养学生在解决问题时，综合运用逻辑运算、数据结构等常用的计算方式和思维能力。学生在学习程序编写的过程中需要厘清各个事件发生的先后顺序，以及它们之间的逻辑关系，在此基础上完成各个模块的搭建、修改，由此深入浅出地解决问题，从而提升学生的计算思维能力。

三、如何培养计算思维

以苏教版五年级《信息技术》第9课《赛车游戏》为例。本课通过“问题驱动—分析归纳—脚本搭建—调试问题—延伸拓展”五个步骤，引导学生思考和操作，重点培养学生运用计算机解决问题的能力。

（一）问题驱动  激发兴趣

首先播放“无人驾驶的汽车”视频作为导入，让学生了解无人驾驶技术已经由梦想变为现实。接着询问学生无人驾驶技术是如何实现的？有哪些关键因素？我们能否在Scratch中模拟无人驾驶？通过几个问题建立联系，引導学生思考，激发学生学习、探究无人驾驶技术的兴趣。

（二）分析归纳  掌握概念

学生通过网络搜索获知：无人驾驶实现的关键是用强大的计算机代替人脑进行各种数据运算;用精准的传感器代替人眼识别路标和各种障碍;编写的自动驾驶程序系统处理各种情况下的汽车行驶的状态。对无人驾驶技术有了一定的了解之后，大家又一起分析能不能在Scratch中模拟无人驾驶。我带着学生一起分析。首先，信息技术课堂不缺的就是计算机;其次，Scratch是计算机编程软件，能够运用侦测和判断语句编写具有自动驾驶功能的程序;最后，只需安装上模拟传感器应该就能实现无人驾驶。通过这样的分析，学生对原本陌生的无人驾驶技术有了较详细的了解，同时对在Scratch中模拟无人驾驶充满了信心。

（三）脚本搭建  建立算法

在了解了无人驾驶的原理后，学生自主添加任务角色，并在赛车前方分别安装了两个传感器。然后开始尝试搭建程序脚本：当左侧传感器检测到障碍物时应控制赛车向右转向，当右侧传感器检测到障碍物时控制赛车向左转向。想要让程序运行起来，还需要在事件模块中找一个触发积木块，同时添加重复模块，点击运行按钮，看看运行效果吧！脚本搭建的过程就是学生思维提升的过程、算法建立的过程。

（四）调试问题  优化方案

基本程序脚本搭建完成后，学生会发现，当赛道转角较大时会有冲出赛道的情况。为什么会出现这种现象呢？引导学生调整脚本数据后得出：是赛车速度与转角度数不匹配造成的，可以通过降低车速或增加旋转角度解决。学生通过这样的过程训练，形成思维能力，再碰到类似的问题，相信学生能够运用经验来解决问题。因此，调试程序脚本就是一个方案优化、完善的过程，也是人的计算思维提升的过程。

（五）延伸拓展  建构体系

通过赛车游戏的设计，学生清楚了传感器的重要性，也明白了无人驾驶技术的关键，更重要的是学生提升了运用计算机技术来思考、解决问题的能力。其实，关于传感器的应用比比皆是，如空调里需装有温度传感器，防盗报警器中有红外线传感器，扫地机器人中有超声波传感器，等等。于是我给学生布置了课后作业：了解扫地机器人里安装了什么传感器，并在Scratch中模拟扫地机器人工作。通过课后作业的练习，让学生对所学知识泛化、迭代，建构知识与技能体系，促进计算思维能力的形成。

四、计算思维存在的误区

（一）错把计算思维当计算机的思维

计算思维是人像计算机一样思维还是培养人的思维？有的教师之所以有这样的疑问，归根结底是他们对计算思维理解不够。计算思维是指人们能运用计算机知识来思考、规划解决问题。归根结底，计算思维是人的思维，是任何人都可以学习、掌握的基本技能。这种能力不只属于计算机科学家，也属于普通人。和人的阅读、写作、算术等能力一样，它是人类未来分析和解决问题的重要能力。

（二）狭隘地将编程看作计算思维

至今仍有很多教师认为培养计算思维就是培养学生的编程能力。这种误解的根源可以追溯到计算思维培养的早期。当时，受计算机编程热潮的影响，认为学会了编程就拥有了计算思维能力;后来图形化编程的出现，更加剧了这种偏见。图形化编程通过较直观性的模块堆积，极大地激发了中小学生学习编程的兴趣，让“谈编程变色”时代不复存在。然而，在生活和学习过程中，我们还可以借助各种软件来解决问题，这些都是计算思维能力的培养。因此，计算思维不只是编程，编程思维的全过程只是计算思维的一个重要方面。

（三）误将计算思维认为是少数学生的天赋

“计算思维是少数高智商学生才具有的天赋！”这是不少刚接触计算思维的教师的误区。早期的中小学信息技术教材多以技术传授为主，在一定程度上忽视了中小学生的年龄特征和学习兴趣。学生跟着教师示范，机械、重复地操作，导致他们产生了厌学的心理，只有少数学生能够接受这样的“魔鬼”训练模式。如今的信息技术课堂更加注重以学生为中心，通过各种情境、任务激发所有学生的兴趣，学生也乐于运用计算机来解决各种问题。其实，这就是学生计算思维能力的形成。因此，计算思维的训练是适合所有学生的。

五、结语

计算思维是人的思维，更是人类适应未来社会的一种必备能力。计算思维能力的培养和提升可以采取多种形式多种渠道。小学信息技术课堂只是其中之一，也可以与语文、数学等学科相结合，这些都是促进学生计算思维能力发展的有效途径。事实上，小学生计算思维能力的培养是一个漫长的过程，需要所有教育工作者共同努力。只有所有教育工作者都认识到计算思维的重要性，不断提升教学能力、改进教学策略，才能让所有学生的计算思维能力得到质的提升。